《Joule:克服钙钛矿太阳能电池中离子通过碱金属的迁移》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2023-12-15
  • 碱金属作为钙钛矿太阳能电池(PSCs)中的添加剂,因其对性能增强的影响而被广泛研究。这种性能对离子驱动的界面复合过程很敏感,这些过程会导致电压损失,并在阻抗谱(IS)中具有负电容特征。近日,斯图加特大学Michael Saliba、Clara A. Aranda利用负电容作为工具,系统研究了Li、Na和K对宽带隙材料MAPbBr3的光电压影响。

    作者发现钠阳离子可以缓解不利的界面复合途径,产生1.65V的稳定开路电位。阻抗测量表明,钠对材料体积有显著影响,飞秒时间二次离子质谱和X射线光电子能谱证实了这一点。

    这些技术证实了Na具有减少钙钛矿材料中离子迁移的能力。作者通过X射线光电子能谱(XPS)分析发现,Na通过与有机化合物的静电相互作用实现这一功能。

  • 原文来源:https://solar.in-en.com/html/solar-2432636.shtml
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    • 图 (A)器件结构示意图;(B、C)不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。(D)无MoS2钝化和有MoS2钝化的钙钛矿的相变能量曲线。(E)钙钛矿、MoS2/钙钛矿、MoS2/钙钛矿/MoS2薄膜的TRPL衰减曲线。(F)在中国计量科学研究院认证的最优钙钛矿太阳能电池性能;(G)最优钙钛矿微型组件性能;(H)钙钛矿太阳能电池的高温运行稳定性。   在国家自然科学基金项目(批准号:52125206、52302320)等资助下,北京大学周欢萍教授与合作者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关研究成果以“晶圆级单层硫化钼集成实现高效稳定钙钛矿太阳能电池(Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells)”为题,于2025年1月10日在线发表于《科学》(Science),论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351。   金属卤化物钙钛矿以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速,但同时实现高效和稳定仍是巨大挑战。卤化物钙钛矿由于其软晶格和相对较弱的键,在太阳能电池运行过程中容易降解。即使通过封装来隔离水分和氧气,钙钛矿在热、光照和电场下的不稳定性仍是其商业化应用亟需解决的关键问题。   周欢萍教授团队提出将晶圆级连续单层MoS2集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型,从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明,晶圆级MoS2插层由于连续二维形态,从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且,MoS2通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上稳定了α相FAPbI3。MoS2插层还通过与钙钛矿形成Pb-S键化学钝化钙钛矿表面缺陷,并通过与钙钛矿I型能带排列阻挡少子复合,从而显著减少了载流子非辐射复合。此外,单层MoS2的原子级厚度克服了钝化质量和载流子传输之间难以协同的挑战,最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压(认证VOC=1.20 V)和填充因子(认证FF=84.3%)。包含MoS2/钙钛矿/MoS2结构的钙钛矿太阳能电池和组件分别实现了高达26.2%(认证稳态效率为25.9%)和22.8%的光电转换效率。此外,电池表现出卓越的湿热稳定性(在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%)、光照稳定性(在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%)和运行稳定性(在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减,在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%)。   本研究通过界面工程将二维材料与软晶格光电材料结合起来,为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了有效策略,并可以扩展到传感器、探测器等其他相关领域支撑高效稳定器件的构建。
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    • 用于太阳能电池的金属有机钙钛矿层通常使用旋涂技术在工业相关的小型基材上制造。这些钙钛矿层通常多孔,但能量转换效率却非常高。这些孔为什么不会导致正面和背面接触之间明显短路呢?原因已经找到了! 钙钛矿太阳能电池的简化剖面图:钙钛矿层并没有覆盖整个表面,而是存在空穴。科学家们证明这种结构建立了一个防止短路的保护层 早期的金属有机钙钛矿的效率水平只有百分之几(2006年为2.2%)。然而现在的水平远高于22%。比目前商业上主导的硅太阳能电池技术的转化效率提高了近50年。由低成本金属-有机钙钛矿制成的薄膜可以通过旋涂和随后的烘焙(由此溶剂蒸发并且材料结晶)而大规模生产,这使得该技术更具吸引力。 钙钛矿薄膜上的孔 尽管如此,在致密基底上旋涂产生的薄钙钛矿薄膜通常不是完美的,而是出现了许多孔洞,由亨利·斯奈斯教授领导制成的开创性钙钛矿组样品也出现了这些孔洞。问题在于这些孔可能导致太阳能电池的相邻层接触而导致太阳能电池短路,这将会大大降低效率水平,但却并没有被观察到。 生长出薄层 现在MarcusBär和他的小组以及Fritz Haber研究所的Spectro-Microscopy小组仔细检查了Henry Snaith的样品,他们利用扫描电子显微镜绘制了钙钛矿层的表面形貌,随后使用BESSY II的分光谱方法分析了样品出现孔洞区域的化学成分。博士生Claudia Hartmann解释说:“我们能够确定,即使是在孔洞中,基板也没有被完全暴露出来,而是通过沉积和结晶过程形成了薄层,这有效防止了短路。” 防止短路 科学家们一致能够确定的事,相较于接触层的直接接触的情况,电池的电荷载体必须克服的巨大的能量势垒才能彼此重新结合。Bär表示:“尽管钙钛矿薄膜有许多孔,电子传输层(TiO2)和正电荷载体传输材料(Spiro MeOTAD)实际上并不直接接触,而且接触层之间的复合屏障足够高,以致这些太阳能电池的实际损耗很小。”